CN106546440B - 一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法，包括试验工况设计、试验准备、试验开始、试验过程和数据处理五个步骤。与其他卫星热控系统性能的指标评估均在时域进行不同，重力卫星整体的指标体系在频域，热噪声作为重力卫星观测数据的主要噪声，热控系统的性能评估也需要在频域进行。本发明的试验方法中，工况设计主要考虑卫星工作时受到的热噪声在频域的极值，试验准备中所有试验系统的性能需要考虑频域的指标，数据处理需要对温度数据进行频域处理，主要关注热控系统在重力卫星测量频段范围内的性能。该试验方法实现了对重力卫星热控系统性能的准确评估。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法，特别是验证卫星热控系统基于频域指标的试验方法。
背景技术
重力卫星是利用空间技术进行地球重力场测绘的一种重要手段。重力卫星通过获取卫星位置和姿态、星间相对距离、星间相对速度、非保守力等观测数据和卫星的状态数据，来反演地球重力场模型，其中状态数据包括温度数据。温度随时间变化的波动被视为噪声，严重制约着观测数据的有效性和测量精度。
卫星在轨运行时受到复杂的空间外热流变化和星内热源变化的影响，温度会发生波动。温度波动会造成卫星姿态测量设备的姿态测量误差、星间相对距离(速度)测量设备的测量误差、非保守力测量设备的测量误差等一系列误差项，影响卫星观测数据的有效性。
因此，需要在卫星设计阶段要求提高热控系统的性能，在卫星观测数据的带宽范围内，抑制温度随时间变化的波动，降低温度噪声。同时需要进行专门的卫星热试验，验证热控系统的工作性能及其在观测数据带宽范围内对温度噪声的抑制情况。
目前，卫星热控系统的试验验证主要关注于温度水平的高低，即温度波动范围不超过温度要求范围即可，对重力场测量卫星等对温度波动的频域特性敏感的试验验证考虑较少。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对重力卫星特殊的观测模式和其基于频域的指标体系，提供了一种适用于验证重力卫星热控系统基于频域指标的试验方法，解决了重力卫星热控系统的性能评价问题。
本发明的技术方案是：一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法，步骤如下：
1)工况设计
11)采用具有轨道热分析功能的商用热分析软件计算重力卫星在寿命期内的轨道外热流数据，具体计算时刻包括阳光轨道面夹角β最大时刻、阳光轨道面夹角β最小时刻、临界β时刻；
12)对获得的轨道外热流数据进行频域分析，根据频域分析的结果确定试验工况，试验工况的确定原则如下：
121)如果某时刻频率分析的结果，在重卫星测量频段范围(f1～f2)内没有幅值，则该时刻不需要进行工况设计；
122)如果某时刻频率分析的结果，在重卫星测量频段范围(f1～f2)内存在幅值，则该时刻需要进行工况设计；
123)如果在重卫星测量频段范围(f1～f2)内，多个时刻频率相同，则选择轨道外热流幅值大的时刻作为一个工况进行设计；
124)如果在重卫星测量频段范围(f1～f2)内，多个时刻频率不同，则每个频率点都需要作为一个工况进行设计；
13)根据步骤12)确定的时刻，进行工况参数设计；
131)按步骤12)确定的时刻，设计每一个时刻日期为一个工况；
132)处理每个工况的外热流数据，将每个轨道周期时间长度T内的外热流数据细分为n份，n为正整数，其中n＝4f2,即在时域内，两组外热流数据的时间间隔为秒；
2)试验准备
21)进行常规试验准备，包括试验工装设计、加工、装配和调试；试验测试设备的准备和测试；
22)在卫星内部粘贴温度传感器；
23)卫星放入进入空间环境模拟器，并与试验工装、测试设备的连试；
3)试验开始，空间环境模拟器内抽真空，使内部真空度满足1×10-3Pa，空间环境模拟器内部通液氮进行降温，使空间环境模拟器内部壁温达到100K；
4)试验过程
41)按步骤132)计算得到的外热流数据施加外热流，进行工况试验；外热流模拟全部采用在卫星外表面粘贴加热片加热的方式模拟卫星外表面的外热流，采用程控电源控制，以秒为一个台阶进行瞬态电流控制；工况的温度采集系统的温度采集频率不低于4f2，即温度采集时间间隔不大于秒；
42)当80％的卫星内部温度传感器满足连续4个轨道周期T内，对应时刻温度变化不超过1℃时，认为卫星进入平衡态；
43)卫星进入平衡态后，保持此平衡态连续时间后，此工况结束，进入下一工况；
44)按照步骤41)～43)重复进行所有试验工况；
45)当全部试验工况结束时，试验结束。
5)数据处理
51)数据处理的对象是各个试验工况，卫星保持平衡态连续时间段内的温度数据；
52)对待处理的温度数据进行傅里叶变换，得到温度数据在频域的变化曲线，即温度波动为频率的函数Temperature(f)；
53)若函数Temperature(f)的数值，在卫星观测的敏感频段(f1～f2)内，小于指标曲线，则认为热控系统性能满足要求；若函数Temperature(f)的数值，在卫星观测的敏感频段(f1～f2)内，超过于指标曲线，则认为热控系统性能不满足要求。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)在工况设计时，考虑重卫星测量频段范围(f1～f2)，在工况日期的确定时，引入外热流频域特性代替传统的吸收热流总量最大(最小)的极端工况，能够更好的测试热控系统在频域的性能。
(2)外热流模拟方式的设计和控制时，引入测量频段的最高截止频率f2这一参数，通过最高截止频率f2计算出外热流的模拟控制频率和控制电流输出频率，提高地面试验外热流模拟的有效性；
(3)温度采集时，引入测量频段的最高截止频率f2这一参数，通过最高截止频率f2计算出温度采集系统的采集频率要求，使得采集的温度数据能够应用于后续的数据分析；
(4)试验过程中，在达到平衡态后的保持时间的确定中，引入测量频段的最低截止频率f1这一参数，通过最低截止频率f1计算出有效数据的采用长度，使得采集的温度数据能够应用于后续的数据分析。
附图说明
图1是本发明一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法，主要包括工况设计、试验准备、试验开始、试验过程和数据处理步骤。本发明的工况设计中，外热流选择非常规热试验中的最大最小热流模拟，而是引入外热流频域特性，能够更好的测试热控系统在频域的性能，外热流模拟、温度采集、试验数据的选取均需考虑卫星观测数据带宽的要求，数据处理更关注频域的分析结果。
实施例1
假设重力卫星的运行轨道为：轨道高度500km，降交点地方时为6:00AM的太阳同步圆轨道,重力卫星的观测频段为(10-4Hz～10-1Hz)，温度控制要求是温度波动小于0.01℃(10-4Hz～10-1Hz)
本发明的实现步骤如下：
1、工况设计步骤如下；
a)采用具有轨道热分析功能的软件(如SindaFluint)分析重力卫星轨道寿命期内的外热流数据。阳光轨道面夹角β变化范围为+59.6°～+87°，其中临界β为68.02°。
b)根据对外热流进行频域分析
根据初步分析，500km轨道高度将较低地方时为6:00AM的太阳同步轨道，期轨道周期约为T≈5600秒左右，其轨道频率为1.78×10-4，位于重力卫星的观测频段(10-4Hz～10- 1Hz)内；
当β＝+87°时，卫星处于全日照区，卫星各表面外热流变化不大，但一个轨道周期内有变化(β＝±90°时，无变化)，属于频率范围在测量频段内，且有幅值的情况；
当β＝+68.02°时，卫星处于即将有阴影区，但尚处于全日照区的位置，卫星各表面外热流变化与β＝+87°时相比，外热流变化频率特性基本一致，但幅值变大；
当β＝+59.6°时，卫星处于有阴影区，外热流变化频率发生变化，幅值也发生变化；
因此试验工况选择β＝+59.6°和β＝+68.02°两个时刻。
c)工况参数设计
轨道周期T＝5600秒，测量频段(f1＝0.0001Hz，f2＝0.1Hz)一个轨道周期内的外热流数据应细分为4×f2×T＝4×0.1×5600＝2240份，即时间间隔为2.5秒。
2、试验准备步骤如下；
a)试验工装设计、加工、装配和调试；
b)试验测试设备的准备和测试等常规步骤；
c)在卫星内部粘贴温度传感器，如热电偶、热敏电阻等；
d)卫星进入空间环境模拟器与试验工装、测试设备的连试；
3)试验开始，空间环境模拟器内抽真空，使内部真空度满足1×10-3Pa，空间环境模拟器内部通液氮进行降温，使空间环境模拟器内部壁温达到100K。
4)试验过程，
41)按计算得到的外热流数据施加外热流，进行工况试验；外热流的控制间隔也为2.5秒一个台阶；温度采集频率不低于0.4Hz，即温度采集的时间间隔不大于2.5秒。
42)当80％的卫星内部温度传感器满足连续4个轨道周期T＝5600秒内，对应时刻温度变化不超过1℃时，认为卫星进入平衡态
43)卫星进入平衡态后，保持此平衡态连续秒(约14个轨道周期)时间后，此工况可以结束，进入下一工况；
44)按照步骤41)～43)重复进行所有试验工况；
45)当全部试验工况结束时，试验结束，进入回温复压程序。
5)数据处理
51)数据处理的对象是卫星保持平衡态连续秒时间段内的温度数据；
52)对待处理的温度数据进行傅里叶变换，得到其在频域的曲线；
53)如果曲线在频率范围(10-4Hz～10-1Hz)内不超过0.01℃，则热控系统性能满足要求，否则为不满足要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
Claims (1)
1.一种适用于重力卫星的验证热控系统性能的试验方法，其特征在于步骤如下：
1)工况设计
11)采用具有轨道热分析功能的商用热分析软件计算重力卫星在寿命期内的轨道外热流数据，具体计算时刻包括阳光轨道面夹角β最大时刻、阳光轨道面夹角β最小时刻、临界β时刻；
12)对获得的轨道外热流数据进行频域分析，根据频域分析的结果确定试验工况，试验工况的确定原则如下：
121)如果某时刻频率分析的结果，在重力卫星测量频段范围(f1～f2)内没有幅值，则该时刻不需要进行工况设计；
122)如果某时刻频率分析的结果，在重力卫星测量频段范围(f1～f2)内存在幅值，则该时刻需要进行工况设计；
123)如果在重力卫星测量频段范围(f1～f2)内，多个时刻频率相同，则选择轨道外热流幅值大的时刻作为一个工况进行设计；
124)如果在重力卫星测量频段范围(f1～f2)内，多个时刻频率不同，则每个频率点都需要作为一个工况进行设计；
13)根据步骤11)确定的时刻，进行工况参数设计；
131)按步骤11)确定的时刻，设计每一个时刻为一个工况；
132)处理每个工况的外热流数据，将每个轨道周期时间长度T内的外热流数据细分为n份，n为正整数，其中n＝4f2T,即在时域内，两组外热流数据的时间间隔为秒；
2)试验准备
21)进行常规试验准备，包括试验工装设计、加工、装配和调试；试验测试设备的准备和测试；
22)在重力卫星内部粘贴温度传感器；
23)重力卫星放入空间环境模拟器，并与试验工装、测试设备的连试；
3)试验开始，空间环境模拟器内抽真空，使内部真空度满足1×10-3Pa，空间环境模拟器内部通液氮进行降温，使空间环境模拟器内部壁温达到100K；
4)试验过程
41)按步骤132)计算得到的外热流数据施加外热流，进行工况试验；外热流模拟全部采用在重力卫星外表面粘贴加热片加热的方式模拟重力卫星外表面的外热流，采用程控电源控制，以秒为一个台阶进行瞬态电流控制；工况的温度采集系统的温度采集频率不低于4f2，即温度采集时间间隔不大于秒；
42)当80％的重力卫星内部温度传感器满足连续4个轨道周期T内，对应时刻温度变化不超过1℃时，认为重力卫星进入平衡态；
43)重力卫星进入平衡态后，保持此平衡态连续时间后，此工况结束，进入下一工况；
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45)当全部试验工况结束时，试验结束；
5)数据处理
51)数据处理的对象是各个试验工况，重力卫星保持平衡态连续时间段内的温度数据；
52)对待处理的温度数据进行傅里叶变换，得到温度数据在频域的变化曲线，即温度波动为频率的函数Temperature(f)；
53)若函数Temperature(f)的数值，在重力卫星观测的敏感频段(f1～f2)内，小于指标曲线，则认为热控系统性能满足要求；若函数Temperature(f)的数值，在重力卫星观测的测量频段范围(f1～f2)内，超过于指标曲线，则认为热控系统性能不满足要求。
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